碳纖維表面處理

2022-11-30 來源：高分子物理學公眾號

碳纖維具有高模量、高強度和優(yōu)良的耐熱性, 與高聚物復合可得到力學性能極為優(yōu)異的復合材料, 被廣泛應用于航空、航天、運動器材等領域。

為使碳纖維表面易于與樹脂基體結合，往往需要對碳纖維表面進行處理，清除碳纖維表面雜質(zhì)，在碳纖維表面刻蝕溝槽或形成微孔以增大表面積，來改變碳纖維表面性質(zhì)，以增加碳纖維表面的極性官能團及表面活化，進而更容易浸潤和發(fā)生化學反應，使復合材料界面更緊密連接而增加強度。

碳纖維表面處理的方法有很多，主要包括表面清潔處理、氣相氧化法、液相氧化法、陽極氧化法、表面涂層法、表面沉積元機物、電聚合處理、冷等離子處理等。

不同的表面處理后CF的SEM圖像

a) 未處理 b) 空氣處理 C)濃HNO3處理 d)上漿處理 e)等離子處理

方法一

表面清潔處理

碳纖維吸附性強，表面易吸附水分及有機污染物，影響與基體的結合。故而對其進行表面清潔處理，具體做法為：將碳纖維在惰性氣體保護下加熱到一定高溫并保溫一定時間，以清除吸附水，凈化表面。

方法二

氣相氧化法

在加熱下用空氣、氧氣、CO2、臭氧等處理碳纖維，處理后CF比表面積和表面粗糙度增加, 使表面產(chǎn)生胺基、羥基、羰基等含氧極性基團，以利于碳纖維與基體樹脂界面結合，從而提高CF增強復合材料的綜合力學性能。

空氣氧化法：

Cu或Pb鹽催化劑，400~500℃，氧氣或空氣氧化處理。在空氣中，500℃加熱16h，碳纖維的層間剪切強度會提高45%，纖維大量失重分解；在純氧中，需適當引入二氧化硫、四氯化碳等氣體來控制氧化處理進程。

臭氧氧化法：

王影用O3處理CF,處理后的CF表面粗糙度增加,表面的O元素和含氧極性官能團的相對含量增加;用O3處理后的CF來增強氰酸酯樹脂(CE)基體,制備CF/CE復合材料,復合材料層間剪切強度達到62.91 MPa,比未處理的提高了32.65%。

氣相氧化法的優(yōu)點是設備簡單、反應時間短、易連續(xù)化，缺點是反應難控制、重復性差、纖維嚴重損傷。

方法三

液相氧化法

液相氧化法是以濃HNO3、H3PO4、HClO、KMnO4、NaClO等氧化劑與CF長時間接觸, 在纖維表面形成羧基、羥基等基團, 增強與樹脂的結合力。宋晨晨對CF表面進行硝酸處理后用于增強聚偏氟乙烯(PVDF),在添加處理后的CF質(zhì)量分數(shù)為30%時,相對處理前復合材料彎曲強度和模量分別提高125%和439%。

液相氧化法優(yōu)點是氧化效果好，損傷較小；缺點是液相氧化法僅限于纖維表面，且伴隨著環(huán)境污染問題。

方法四

陽極氧化法

陽極電解氧化也叫電化學氧化法,這種表面處理的方法已在碳纖維工業(yè)生產(chǎn)中得到了普遍的應用。

研究發(fā)現(xiàn)，對碳纖維進行陽極氧化表面處理后,碳纖維的浸潤性有一定程度的增強,碳纖維與水的接觸角也有一定程度的降低；碳纖維強度出現(xiàn)了一定程度的下降,強度離散性也略有增大。

方法五

表面涂層法

碳纖維表面涂層的制備不僅能夠提高碳纖維抗氧化性，也是提高碳纖維與基體潤濕性，改善復合材料界面結構性能的主要方法。近年碳纖維表面涂層研究種類很多，主要有金屬涂層、陶瓷涂層、氮化物涂層、氮化物涂層和復合涂層。

金屬涂層能夠有效地改善纖維與基體的潤濕性，但亦容易被氧化，形成表面氧化物后會降低與金屬液的潤濕性。陶瓷涂層的高溫穩(wěn)定性好，實際使用效果佳，促進界面潤濕，有效降低界面擴散和界面反應，但是陶瓷涂層相較之碳纖維熱膨脹系數(shù)較高，高溫或受到熱沖擊時涂層容易開裂剝落，失去保護碳纖維的作用。復合涂層可以有效增強碳纖維增強體的抗氧化性，但制備工藝較為復雜。

方法六

表面沉積元機物

金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)技術的沉積溫度低、沉積速度快、沉積靈活性強、成膜面積大，合成材料的成分可控;通過對MOCVD工藝參數(shù)的控制，可精確控制薄膜生長的厚度、組成和摻雜濃度。在碳纖維表面鍍覆一層金屬或金屬化合物膜能夠改善纖維與基體間的界面結合，優(yōu)化界面，充分發(fā)揮碳纖維增強體在復合材料中的作用。

方法七

電聚合處理

電化學聚合法作為近年來發(fā)展起來的一種新型聚合方法，碳纖維表面經(jīng)電化學處理后能夠形成較為均勻的聚合物層，形成的環(huán)氧樹脂復合材料斷面較為平整，纖維拔出量少。

采用該方法處理碳纖維表面具有處理時間短，可控性強，能夠在碳纖維表面均勻接枝聚合物的特點。

方法八

冷等離子處理

等離子處理是指用放電、高頻電磁振蕩、沖擊波及高能輻射等方法使惰性氣體或含氧氣體產(chǎn)生等離子體, 對材料的表面進行處理。

低溫等離子體技術是20世紀60年代出現(xiàn)的一種新的材料表面處理技術。低溫等離子體技術是一種干式工藝, 具有節(jié)能、無公害、處理時間短、效率高以及能滿足環(huán)境保護要求等優(yōu)點。